10.4. Электрические свойства материалов

Все материалы характеризуются электрической проводимостью, которая обусловлена их природой – имеющимися в них носителями тока – подвижными электрическими зарядами. По виду этих носителей различают электронную проводимость (металлы, полупроводники), ионную проводимость (электролиты) и электронно-ионную проводимость (плазма). В зависимости от удельной электропроводности все вещества условно делят на три группы: проводники (удельная электропроводность более 10⁶См/м), полупроводники (удельная электропроводность 10^-8…10⁶См/м) и диэлектрики (изоляторы, удельная электропроводность менее 10^-8См/м).

Электрическое сопротивление – величина, характеризующая противодействие, оказываемое электрической цепью (проводником), движущимся в ней электрическим зарядам, выражаемое в омах (Ом). Электрическое сопротивление и электрическая проводимость – понятия обратные одно другому: чем выше электрическая проводимость и наборот.

В технике используются материалы с высокими и проводимостью, и сопротивлением. Медь и алюминий обладают самым малым из всех металлов (за исключением серебра) электрическим сопротивлением, поэтому они в основном используются для производства электрических проводов, в которых потери электроэнергии должны быть минимальными. Медь как материал для электрических проводов предпочтительнее, так как она хорошо проводит тепло и электрический ток, механически прочна и коррозионно-стойка. Электропроводность чистого алюминия составляет около 60% электропроводности меди, но это компенсируется вдвое меньшей плотностью, алюминия, позволяющей делать провода из него более толстыми. Недостатком алюминия является его незначительная стойкость при изгибах и перегибах.

Такие материалы, как вольфрам, нихром, фехраль, хромаль и др., имеют большое электрическое сопротивление и применяются в тех случаях, когда электрическую энергию необходимо превратить в свет или тепло. Чистый вольфрам в виде проволоки используют для производства нитей ламп накаливания благодаря его высокой рабочей температуре – 2200…2500⁰С. Большая светоотдача, а также очень высокая температура испарения гарантируют длительный срок их службы. Вольфрамовые прутки и проволоку применяют для изготовления нагревательных элементов высокотемпературных печей (до 2500⁰С). Удельное электрическое сопротивление вольфрама составляет 5,03 мкОм∙м. Вольфрам и молибден являются дорогими и дефицитными металлами, поэтому там, где это возможно, стараются заменить эти металлы другими.

Константан – это сплав меди с никелем (39…41%) и марганцем (1…2%), обладающий удельным электрическим сопротивлением 0,48 мкОм∙м, которое слабо зависит от изменения температуры. Этот материал используют для изготовления резисторов, элементов измерительных приборов и термопар.

Манганин – медный сплав, легированный 11,5…13,5% марганца и 2,5…3,5% никеля, обладающий стабильным удельным электрическим сопротивлением при изменении температуры. Его удельное электрическое сопротивление составляет 0,4 мкОм∙м. Из манганина делают проволоку и ленты для электронагревательных приборов.

Нихром – сплав никеля (65…80%) с хромом (15…30%) и некоторыми добавками кремния, алюминия и других элементов, обладающий удельным электрическим сопротивлением 1,08 мкОм∙м. Сплав характеризуется высокой жаростойкостью и используется для изготовления нагревателей электрических печей, бытовых приборов, резисторов, реостатов. Спав нихрома, в котором до 20% никеля заменено железом, называется ферронихромом.

Хромаль – жаростойкий (до 1000 … 1400⁰С) сплав железа с хромом (15 … 30 %) и алюминием (4,5 …6,0), имеющий удельное электрическое сопротивление 1,3 … 1,5 мкОм∙м. Название сплава образовано от слов «хром» и «алюминий». Хромаль марок Х23Ю5Т и Х27Ю5 используют для изготовления нагревателей сопротивления электрических цепей. Зарубежные аналоги хромаля – это канталь, мегапир.

Фехраль – жаростойкий (до 1100⁰С) сплав железа с хромом (8 … 12,5) и алюминием (3,5 … 5,5 %), имеющий высокое удельное электрическое сопротивление – 1,1 … 1,35 мкОм∙м. Название сплава образовано от слов «феррум», «хром» и «алюминий». Используется фехраль для производства нагревательных элементов электрических установок.

Молибден – тугоплавкий металл с удельным электрическим сопротивлением 5,17 мкОм∙м, применяемый в производстве осветительных и электровакуумных приборов, а также для изготовления электронагревателей, например, для колпаковых печей, работающих в атмосфере азота и водорода.

В качестве нагревателей электрических печей служат силитовые стержни, которые получают при спекании смеси порошков корборунда и кремния. Такие нагреватели способны длительное время работать при высокой температуре до 2000⁰С в воздушной атмосфере.